《电器控制与PLC技术》课件第4章

第4章可编程控制器的系统构成与工作原理4.1可编程控制器的系统构成4.2可编程控制器的工作原理4.3可编程控制器的分类4.4可编程控制器的系统配置4.5小结习题

4.1可编程控制器的系统构成

4.1.1可编程控制器的硬件系统

PLC是计算机技术和控制技术相结合的产物，是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机，因此PLC的基本组成与一般的计算机系统类似。

PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心；输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路；通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图4-1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图4-2所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户的需要进行配置与组合。图4-1整体式PLC组成框图图4-2模块式PLC组成框图尽管整体式PLC与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的。下面对PLC的各主要组成部分进行简单介绍。

1．中央处理单元(CPU)

同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用的有三类：通用微处理器(如Z80、8086、80286等)、单片微处理器(如8031、8096等)和位片式微处理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用，提高了PLC的速度，使PLC更好地满足了实时控制要求。在PLC中，CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。归纳起来主要有以下几个方面：

(1)接收从编程器输入的用户程序和数据。

(2)诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

(3)通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。

(4)从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。

(5)根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。

2．存储器

存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM；另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中的，用户不能访问和修改。用户程序是随PLC的控制对象而定的、由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证断电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行确认正常，不需要改变时，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在也有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。它存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入/输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在断电时用后备电源维持其现有的状态，这部分在断电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。

由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，因此在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用时，许多PLC还提供存储器扩展功能。

3．输入/输出单元

输入/输出单元通常也称为I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，并以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时，PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理信息只能是标准电平，因而I/O接口必须要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量(开关量)输入、数字量(开关量)输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图4-3所示。

常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图4-4所示。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于驱动交流负载。图4-3开关量输入接口(a)直流输入；(b)交流输入；(c)交/直流输入图4-4开关量输出接口(a)继电器输出；(b)晶体管输出；(c)双向晶闸管输出

PLC的I/O接口所能接收的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出(I/O)点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

4．通信接口

PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其他PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制；与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。

远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。

5．智能接口模块

智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。

PLC的智能接口模块种类很多，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。

6．编程装置

编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易编程器通常只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。

智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，因而专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置即可。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。

基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等，配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。

7.电源

PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定性要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。

8.其他外部设备

除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM存储器、外存储器、人机接口装置等。

EPROM存储器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好的用户程序不易丢失，经常用EPROM存储器将PLC内RAM的内容保存到EPROM中。

PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器作成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般通过编程器或其他智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。

人机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话的。最简单、最普遍的人机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人机接口装置和智能型终端人机接口装置。半智能型CRT人机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为独立的节点接入PLC网络。4.1.2可编程控制器的软件系统

PLC的软件由系统程序和用户程序组成。

系统程序由PLC制造厂商设计编写，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。

PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，因而为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用

语言。

PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品，采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳为两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式的编程语言，如梯形图等。具体可参见5.2节的内容。

4.2可编程控制器的工作原理

4.2.1可编程控制器的工作过程

当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作(串行工作)方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，因而从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时(并行)完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。

PLC的扫描工作方式与继电器控制的工作原理明显不同。继电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作。而PLC采用扫描工作方式(串行工作方式)，如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与电气控制装置在I/O的处理结果上并没有什么差别。

PLC的扫描工作过程除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务等工作。如图4-5所示，整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个扫描过程执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1～100ms。

在内部处理阶段，进行PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器(WDT)复位以及完成一些其他的内部处理工作。图4-5扫描过程示意图在通信服务阶段，PLC与其他智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。

当PLC处于停止(STOP)状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于运行(RUN)状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样信号、程序执行、输出刷新等工作。

PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。当PLC扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。4.2.2可编程控制器对输入/输出的处理原则

PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，如图4-6所示。图4-6PLC执行程序过程示意图

1．输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或其他阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。

2．程序执行阶段

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。

3．输出刷新阶段

当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态(输出继电器状态)转存到输出锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动外部负载。

因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这种方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。在用户程序中，如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口进行刷新；在其他阶段里，输出状态一直保存在输出映像寄存器中。这种方式称为集中输出。

对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。而对于大、中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或采用中断输入、输出方式以及智能I/O接口等多种方式。下面以如图4-7所示的简单例子引出由于PLC扫描工作方式的不同所带来的输入/输出响应滞后问题。图4-7PLC扫描工作方式不同时的输入/输出响应滞后问题(a) Y1、Y2在同一个扫描周期内；(b) Y1、Y2在两个扫描周期内4.2.3输入/输出滞后分析

由上述两节分析可知，从PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由PLC扫描工作方式造成的，而且更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来的输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。

4.3可编程控制器的分类

4.3.1按硬件的结构类型分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

1)整体式PLC

整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内的形式，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点(见图4-8)。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM存储器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。图4-8整体式PLC

2)模块式PLC

模块式PLC是将PLC各组成部分分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块(见图4-9)的形式。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。图4-9模块式PLC

3)叠装式PLC

还有一些PLC将整体式PLC和模块式PLC的特点结合起来，构成所谓的叠装式(紧凑式)PLC(见图4-10)。叠装式PLC的CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行连接的，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得小巧。图4-10叠装式PLC4.3.2按应用规模及功能分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

(1)小型PLC。I/O点数为256点以下的为小型PLC。其中，I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC。

(2)中型PLC。I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC。

(3)大型PLC。I/O点数为2048以上的为大型PLC。其中，I/O点数超过8192点的为超大型PLC。根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档和高档三类。

(1)低档PLC。具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

(2)中档PLC。除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

(3)高档PLC。除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

在实际中，一般PLC功能的强弱与其I/O点数的多少是相互关联的，即PLC的功能越强，其可配置的I/O点数越多。因此，通常我们所说的小型、中型、大型PLC，除指其I/O点数不同外，同时也表示其对应功能为低档、中档和高档。4.3.3按生产厂家分类

自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲和日本三个流派产品，各流派的PLC产品各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占有重要地位。著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B(Allen-Bradly)公司、GE(GeneralElectric)公司，日本的三菱电机(MitsubishiElectric)公司、欧姆龙(OMRON)公司，德国的AEG公司、西门子(Siemens)公司，法国的TE(Telemecanique)公司等。我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益。现在PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。

4.4可编程控制器的系统配置

4.4.1FX系列型号名称的含义

FX系列PLC是近年来由三菱公司推出的高性能小型可编程控制器，正在逐步替代三菱公司的原F、F1、F2系列PLC产品。其中，FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性价比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。

FX系列PLC型号的含义如下：

(1)系列名称：如0、2、0S、1S、0N、1N、2N、2NC等。

(2)输入/输出总点数：并不具体对应输入、输出各自点数，其各自点数要具体对应产品说明书。

(3)单元类型：M──基本单元；

E──输入/输出混合扩展单元；

Ex──扩展输入模块；

EY──扩展输出模块。

(4)输出方式：R──继电器输出；

S──晶闸管输出；

T──晶体管输出。

(5)特殊品种：D──DC电源，DC输出；

A1──AC电源，AC(AC100～120V)输入

或AC输出模块；

H──大电流输出扩展模块；

V──立式端子排的扩展模块；

C──接插口输入/输出方式；

F──输入滤波时间常数为1ms的扩展模块。如果特殊品种一项无符号，则表示AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。

例如，FX2N-32MT-D表示FX2N系列，32个I/O点基本单位，晶体管输出，使用直流电源，24V直流输出型。4.4.2FX系列可编程控制器的基本构成

FX系列PLC的硬件包括基本单元、扩展单元、扩展模块、模拟量输入/输出模块、各种特殊功能模块及外部设备等。

1．FX系列PLC的基本单元

基本单元是构成PLC系统的核心部件，包括CPU、存储器、I/O模块、通信接口和扩展接口等。FX系列PLC有众多的子系列，现以FX0S、FX0N、FX2N三个子系列为例加以介绍。

1) FX0S系列的基本单元

FX0S系列产品的功能简单，价格便宜，适用于小型开关量控制系统。它只有基本单元，没有扩展单元，其基本单元如表4-1所示。表4-1FX0S系列的基本单元

FX0S容量为800步，有20条基本指令，2条步进指令，35种、50条功能指令。FX0S编程元件包括500多点辅助继电器、64点状态寄存器、56点定时器和一个模拟定时器，有16个16位的计数器及4点1相7kHz或1点2相32位高速加/减计数器、61点16位数据寄存器，还有64点转移用跳步指针及4点中断指针。

2) FX0N系列的基本单元

FX0N的基本单元共有12种，最大的I/O点数为60。它可带三种扩展单元，七种扩展模块，可组成24～128个I/O点的系统，其基本单元如表4-2所示。表4-2FX0N系列的基本单元

FX0N的EEPROM用户存储器容量为2000步，基本指令有20条，步进指令2条，应用指令36种、51条。FX0N有500多点的辅助继电器、128点状态寄存器、95个定时器和45个计数器(其中高速计数器13个)，还有大量的数据寄存器，76点指针用于跳转、中断和嵌套。FX0N有较强的通信功能，可与内置RS-232C通信接口的设备通信，如使用FX0N-485APP模块，可与计算机实现1∶N(最多8台)的通信。FX0N还备有8位模拟量输入/输出模块(2路输入，1路输出)，用以实现模拟量的控制。由于FX0N体积小、功能强、使用灵活，因而特别适用于因安装尺寸的限制而难以采用其他PLC的机械设备上。

3) FX2N系列的基本单元

FX2N系列是FX家族中最先进的PLC系列。

FX2N基本单位有16/32/48/65/80/128点，六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256个I/O点，其基本单元如表4-3所示。表4-3FX2N系列的基本单元

FX2N具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电器；提供了多种特殊功能模块，可实现过程控制、位置控制；有多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。FX2N具有较强的数学指令集，使用32位处理浮点数，具有方根和三角几何指令，满足数学功能要求，有很高的数据处理速度。

2．FX系列的I/O扩展单元和扩展模块

FX系列具有较为灵活的I/O扩展功能，可利用扩展单元及扩展模块实现I/O扩展。

1) FX0N的I/O扩展

FX0N系列共有三种扩展单元，如表4-4所示。FX0N的扩展模块如表4-5所示。表4-4FX0N系列的扩展单元表4-5FX0N系列的扩展模块

2) FX2N的I/O扩展

FX2N子系列的扩展单元如表4-6所示。FX2N子系列的扩展模块如表4-7所示。表4-6FX2N子系列扩展单元表4-7FX2N子系列的扩展模块此外，FX系列还可将一块功能扩展板安装在基本单元内，无需外部的安装空间。例如，FX1N-4EX-BD就是可用来扩展4个输入点的扩展板。

3．FX系列的特殊功能模块

1)模拟量输入/输出模块

(1)模拟量输入/输出模块FX0N-3A。 该模块具有2路模拟量输入(0～10VDC或4～20mADC)通道和1路模拟量输出通道。其输入通道数字分辨率为8位，A/D的转换时间为100µs，在模拟与数字信号之间采用光电隔离，该模块占用8个I/O点，适用于FX1N、FX2N、FX2NC子系列。

(2)模拟量输入模块FX2N-2AD。该模块为2路电压输入(0～10VDC，0～5VDC)或电流输入(4～20mADC)，12位高精度分辨率，转换的速度为2.5ms/通道。该模块占用8个I/O点。适用于FX1N、FX2N、FX2NC子系列。

(3)模拟量输入模块FX2N-4AD。该模块有4个输入通道，其分辨率为12位。可选择电流或电压输入，选择通过用户接线来实现。可选的模拟值范围为±10VDC(分辨率为5mV)或4～20mA、-20～20mA(分辨率为20µA)。转换的速度最高为6ms/通道。FX2N-4AD占用8个I/O点。

(4)模拟量输出模块FX2N-2DA。该模块用于将12位的数字量转换成两点模拟输出。输出的形式可为电压，也可为电流，其选择取决于接线方式。电压输出时，两个模拟输出通道输出信号为0～10VDC和0～5VDC；电流输出时为4～20mADC。分辨率为2.5mV(0～10VDC)和4µA(4～20mA)。数字到模拟的转换特性可进行调整。转换速度为4ms/通道。本模块需占用8个I/O点，适用于FX1N、FX2N、FX2N子系列。

(5)模拟量输出模块FX2N-4DA。该模块有4个输出通道，提供了12位高精度分辨率的数字输入，转换速度为2.1ms/通道，使用的通道数发生变化时不会改变转换速度。其他的性能与FX2N-2DA相似。

(6)模拟量输入模块FX2N-4AD-PT。该模块与PT100型温度传感器匹配，将来自四个箔温度传感器(PT100，3线，100Ω)的输入信号放大，并将数据转换成12位可读数据，存储在主机单元中。摄氏度和华氏度数据都可读取。它内部有温度变送器和模拟量输入电路，可以矫正传感器的非线性，读分辨率为0.2～0.3 ℃，转换速度为15ms/通道。所有的数据传送和参数设置都可以通过FX2N-4AD-PT的软件组态完成，由FX2N的FROM/TO应用指令来实现。FX2N-4AD-PT占用8个I/O点，可用于FX1N、FX2N、FX2NC子系统，为温控系统提供了方便。

(7)模拟量输入模块FX2N-4AD-TC。该模块与热电偶型温度传感器匹配，将来自四个热电耦传感器的输入信号放大，并将数据转换成12位的可读数据，存储在主单元中。摄氏度和华氏度数据均可读取，读分辨率在类型为K时为0.2℃，类型为J时为0.3℃，可与K型(-100～1200℃)和J型(-100～600℃)热电偶配套使用。4个通道分别使用K型或J型，转换速度为240ms/通道。所有的数据传输和参数设置都可以通过FX2N-4AD-TC的软件组态完成，占用8个I/O点。

2) PID过程控制模块

FX2N-2LC温度调节模块用在温度控制系统中。该模块配有2通道的温度输入和2通道晶体管输出，即一块能组成两个温度调节系统。模块提供了自调节的PID控制和PI控制，控制的运行周期为500ms，占用8个I/O点数，可用于FX1N、FX2N、FX2NC子系列。

3)定位控制模块

在机械工作运行过程中，工作的速度与精度往往存在矛盾，为提高机械效率而提高速度时，停车控制上便出现了问题。所以进行定位控制是十分必要的。举一个简单的例子，电机带动的机械由启动位置返回原位，如以最快的速度返回，则由于高速停车惯性大，在返回原位时偏差必然较大，如图4-11(a)所示；若采用如图4-11(b)所示的方式先减速，便可保证定位的准确性。图4-11定位控制模块在位置控制系统中，常会采用伺服电机和步进电机作为驱动装置，既可采用开环控制，也可采用闭环控制。对于步进电机，我们可以采用调节发送脉冲的速度改变机械的工作速度。使用FX系列PLC，通过脉冲输出形式的定位单元或模块，即可实现一点或多点的定位。下面介绍FX2N系列的脉冲输出模块和定位控制模块。

(1)脉冲输出模块。FX2N-1PG。FX2N-1PG脉冲发生器单元可以完成一个对独立轴的定位，这是通过向伺服或步进马达的驱动放大器提供指定数量的脉冲来实现的。FX2N-1PG只用于FX2N子系列，用FROM/TO指令设定各种参数，读出定位值和运行速度。该模块占用8个I/O点。输出最高为100kHz的脉冲串。

(2)定位控制器FX2N-10GM。FX2N-10GM为脉冲序列输出单元，它是单轴定位单元，不仅能处理单速定位和中断定位，而且能处理复杂的控制，如多速操作。FX2N-10GM最多可有8个连接在FX2N系列的PLC上，最大输出脉冲为200kHz。

(3)定位控制器FX2N-20GM。一个FX2N-20GM可控制两个轴，可执行直线插补、圆弧插补或独立的两轴定位控制，最大输出脉冲串为200kHz(在插补期间，最大为100kHz)。FX2N-10GM、FX2N-20GM均具有流程图的编程软件，可使程序的开发具有可视性。

(4)可编程凸轮开关FX2N-1RM-E-SET。在机械传动控制中经常要对角位置进行检测，在不同的角度位置时发出不同的导通、关断信号。过去采用机械凸轮开关。机械式开关虽精度高但易磨损。FX2N-1RM-SET可编程凸轮开关可用来取代机械凸轮开关，以实现高精度角度位置检测。配套的转角传感器电缆长度最长可达100m。应用时与其他可编程凸轮开关主体、无刷分解器等一起可进行高精度的动作角度设定和监控，其内部有EEPROM，无需电池。可储存八种不同的程序。FX2N-1RM-SET可接在FX2N上，也可单独使用。FX2N最多可接三块。它在程序中占用PLC的8个I/O点。

4)数据通信模块

PLC的通信模块用来完成与别的PLC、其他智能控制设备或计算机之间的通信。以下简单介绍FX系列通信用功能扩展板、适配器及通信模块。

(1)通信扩展板FX2N-232-BD。FX2N-232-BD是以RS-232C传输标准连接PLC与其他设备的接口板。诸如个人计算机、条码阅读器或打印机等可安装在FX2N内部。其最大传输距离为15m，最高波特率为19200bit/s。利用专用软件可实现对PLC运行状态的监控，也可方便地由个人计算机向PLC传送程序。

(2)通信接口模块FX2N-232IF。FX2N-232IF连接到FX2N系列PLC上，可实现与其他配有RS-232C接口的设备进行全双工串行通信，例如个人计算机、打印机、条码阅读器等。在FX2N系列上最多可连接8块FX2N-232IF模块。用FROM/TO指令收发数据。最大传输距离为15m，最高波特率为19200bit/s，占用8个I/O点。数据长度、串行通信波特率等都可由特殊数据寄存器设置。

(3)通信扩展板FX2N-485-BD。FX2N-485-BD用于RS-485通信方式。它可以应用于无协议的数据传送。FX2N-485-BD在原协议通信方式时，利用RS指令在个人计算机、条码阅读器、打印机之间进行数据传送。传送的最大传输距离为50m，最高波特率也为19200bit/s。每一台FX2N系列PLC可安装一块FX2N-485-BD通信板。除利用此通信板实现与计算机的通信外，还可以用它实现两台FX2N系列PLC之间的并联。

(4)通信扩展板FX2N-422-BD。FX2N-422-BD应用于RS-422通信，可连接在FX2N系列的PLC上，并作为编程或控制工具的一个端口。可用此接口在PLC上连接PLC的外部设备、数据存储单元和人机界面。利用FX2N-422-BD可连接两个数据存储单元(DU)或一个DU系列单元和一个编程工具，但一次只能连接一个编程工具。每一个基本单元只能连接一个FX2N-422-BD，且不能与FX2N-485-BD或FX2N-232-BD一起使用。

(5)接口模块MSLSECNET/MINI。采用MSLSECNET/

MINI接口模块，FX系列PLC可用作A系列PLC的就地控制站，构成集散控制系统。

以上仅对FX系列通信模块作了简单的介绍，具体的应用在以后的章节中再做详述。

5)高速计数模块

PLC中普通的计数器由于受到扫描周期的限制，其最高的工作频率不高，一般仅有几十千赫兹，而在工业应用中有时超过这个工作频率。高速计数模块满足了这一要求，它可达到对几十千赫兹以上，甚至兆赫兹的脉冲计数。FX2N内部设有高速计数器，系统还配有FX2N-1HC高速计数器模块，可作为两相50kHz通道的高速计数。通过PLC的指令或外部输入可进行计数器的复位或启动，其技术指标如表4-8所示。表4-8FX2N-1HC高速计数器模块技术指标

4．FX系列PLC的编程器及其他外部设备

1) FX系列编程器

编程器是PLC的一个重要外围设备，用它将用户程序写入PLC用户程序存储器。它一方面对PLC进行编程，另一方面又对PLC的工作状态进行监控。随着PLC技术的发展，编程语言的多样化，编程器的功能也不断增加。

(1)简易编程器。FX型PLC的简易编程器较多，最常用的是FX-10P-E和FX-20P-E手持型简易编程器。它们具有体积小、重量轻、价格便宜、功能强的特点。简易编程器有在线编程和离线编程两种方式，采用液晶显示屏显示，分别显示2行和4行字符，配有ROM写入器接口、存储器卡盒接口。编程器可用指令表的形式读出、写入、插入和删除指令，进行用户程序的输入和编辑；可监视位编程元件的ON/OFF状态和字编程元件中的数据，如计数器、定时器的当前值及设定值、内部数据寄存器的值以及PLC内部的其他信息。有关编程器的使用详见第8章。

(2) PC机+编程开发软件。FX系列还有一些编程开发软件，如GX开发器。它可以用于生成涵盖所有三菱PLC设备的软件包，使用该软件可以为FX、A等系列PLC生成程序。它在Windows操作平台上运行，便于操作和维护，可以用梯形图、语句表等进行编程，程序兼容性强。FX-PCS/WIN-E-C编程软件包也是一个专门用来开发FX系列PLC程序的软件包，可用梯形图、指令表和顺序功能图来写入和编辑程序，并能进行各种编程方式的互换。它运用于Ｗindows操作系统，对于调试操作和维护操作来说，可以提高工作效率，并具有较强的兼容性。

2)其他外部设备

在一个PLC控制系统中，人机界面也非常重要。还有一些辅助设备，如打印机、EPROM存储器、外存模块等。

5．FX系列PLC各单元模块的连接

FX系列PLC吸取了整体式和模块式PLC的优点，各单元间采用叠装式连接，即PLC的基本单元、扩展单元和扩展模块的深度及高度均相同，连接时不用基板，仅用扁平电缆连接，构成一个整齐的长方体。使用FROM/TO指令的特殊功能模块，如模拟量输入和输出模块、高速计数模块等，可直接连接到FX系列的基本单元，或连到其他扩展单元、扩展模块的右边。根据它们与基本单元的距离，对每个模块按0～7的顺序编号，最多可连接8个特殊